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【前沿】中國科大在玻璃態固體負載不穩定性研究取得進展

2017-12-05 10:32

中國科學技術大學物理學院教授徐寧、美國賓夕法尼亞大學教授Andrea J. Liu與美國芝加哥大學教授Sidney R. Nagel合作,在非晶固體特別是Jammed固體和玻璃態的振動特性研究中取得一係列研究成果。最近,在非晶固體負載不穩定性的研究中也取得進展,11月20日相關研究成果在線發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。
 
玻璃是典型的非晶固體,通常處於複雜能量圖景(Energy Landscape)中的一些亞穩態上。玻璃隨著時間的推移會緩慢老化,說明它在低於玻璃化轉變溫度的狀態下仍會在能量圖景中遊走。然而,玻璃是如何在複雜能量圖景中遊走,一直是理論和計算模擬的挑戰。這主要源於玻璃的非平衡特性,能量圖景中存在數目極大的亞穩態,在計算模擬中窮舉出足夠多的亞穩態存在極大的困難。
 
研究人員繞開窮舉的困難,通過聚焦和初始不穩定相關聯的低能量勢壘,從獨特的視角出發探討能量圖景的特性以及玻璃在能量圖景中遊走的行為。他們以最簡單的非晶體係Marginally Jammed(邊際堵塞或輕度堵塞)固體作為研究對象,希望以最簡單的模式探討本質問題。Jammed固體廣義上是具有純排斥相互作用、依靠擠壓固化的玻璃。這類非晶固體具有Marginal Stability(邊際穩定性),在壓縮或剪切作用下會呈現不穩定、發生類似雪崩的塑性形變。在沒有熱運動的情況下,這種不穩定的發生對應於勢壘的消失,因此,該初始不穩定與Jammed固體中存在的特別低的能量勢壘密切相關。
 
研究團隊在Catastrophe Theory(災難理論)所描述的Fold Instability(折疊不穩定)的理論框架下,理論預言了與初始不穩定相關聯的能量勢壘隨體係形變的演化行為,與模擬的結果高度吻合,突出了勢壘的非簡諧性在初始不穩定的產生以及玻璃在能量圖景中遊走的關鍵性。以往已有許多玻璃在外力驅動下雪崩行為的研究,但對勢壘非簡諧性的統計表征鮮有報道。初始不穩定(對應於玻璃由一個亞穩態遊走到另一個亞穩態)的統計研究能夠提供許多重要信息,特別是反映出Jammed固體具有普適的非簡諧特性,研究表明Jammed固體的低能勢壘呈現出冪律分布,並預言由初始不穩定導致的Jammed固體低頻本征振動模態密度與頻率的三次方成正比,該預言或能給出玻璃在低溫情況下反常熱容的經典物理解釋。
 

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